CC BY
49
ЭПИСТЕМОЛОГИЯ & ФИЛОСОФИЯ НАУКИ, Т. XVI, № 2
II 1
1 ¡1 ¡■т.
ж"
%
Ф
с£ га х
<3
анотехнологии. Эпистемологические проблемы теоретического исследования в современной технонауке
('Статья 1)
В. Г. ГОРОХОВ
В современной науке происходят лавинообразные изменения, свидетелями которых становятся представители одного поколения. Даже фундаментальные исследования в естествознании все в большей степени становятся проблемно и проектно ориентированными на решение конкретных научно-технических задач, что сближает их с технической наукой. Можно говорить о новом этапе развития науки -о технонауке. В рамках процесса сращивания науки и техники в нанотехноло-гии, например, возникает и целый ряд новых эпистемологических проблем, настоятельно требующих своего специального рассмотрения. Одной из них становится проблема новых форм организации научно-теоретического знания в техно-нануке.
Нанотехнология
как кластер теорий
Современные представления о научной теории предполагают ее трактов-
<11!
181 я
ку как своего рода технической теории. В классической технической и физической теориях обнаруживается много общего, но есть и существенные различия. Технические и естественные науки работают с одной и той же предметной областью инструментально измеримых явлений. В то же время, хотя они могут исследовать одни и те же объекты, они исследуют эти объекты по-разному. Техническая теория ориентирована не на объяснение и предсказание хода естественных процессов, а на конструирование технических систем. Естественнонаучные знания и законы должны быть значительно уточнены и модифицированы в технической теории, чтобы стать применимыми к решению практических инженерных задач. Чтобы довести теоретические знания до уровня практических инженерных рекомендаций, в технической теории разрабатываются особые правила, устанавливающие соответствие между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, а также разрабатываются операции перенесения теоретических результатов в область инженерной практики. Особенность технических наук заключается в том, что в них инженерная деятельность, как правило, заменяет эксперимент. Именно в инженерной деятельности проверяется адекватность теоретических выводов технической теории и черпается новый эмпирический материал. В ней теоретическое рассмотрение тесно переплетается с непосредственными практическими приложениями.
В современной технонауке эти различия полностью снимаются, так как естественнонаучный эксперимент становится неотделимым от проектирования. Например, при исследованиях, проводимых с помощью туннельного микроскопа, одновременно создаются новые структуры. Это легко увидеть во многих рассуждениях в области нанотех-нологии: «Конструирование эпитаксиальных структур "германий-кремний" с квантовыми точками стало возможным после изучения начальных стадий осаждения германия на атомно-чистую поверхность кремния методом сканирующей тунельной микроскопии в сверхвысоком вакууме. Управлять плотностью и размером островков германия можно, если германий растет на поверхности кремния со слоем оксида толщиной в несколько атомных слоев непосредственно в установке молекулярно-лучевой эпитаксии» (курсив мой. -В. Г.у. В нанотехнологии научное исследование, в принципе, не- ^ возможно отделить от разработки технологии и проектирования ^ (см. рис. 1). ^
__т
х
!!
И
' Асеев А. Л. Нанотехнология в полупроводниковой электронике // Вестник РАН. Т. 76. 2006, № 6. С. 606.
<3
Травление
fii> Si
и
mi
s *
Ф m
<3
Рис. 1. Схема сворачивания эпитаксиальной гетероструктуры при удалении в селективном травителе «жертвенного» слоя. Силы межатомного взаимодействия р1 и Яг создают момент сил М, изгибающий гетероструктуру. В результате получается нанотрубка2.
К такому пониманию приближаются, прежде всего, структуралистская и технологическая концепции научной теории. Согласно структуралистской концепции, всякая теория состоит из ядра и множества предполагаемых приложений. Именно эта взаимосвязанная пара и образует главные элементы теории. Включение в само тело теории приложений, которые раньше выносились из классических учебников в пособия по решению задач, является весьма показательным для современной технонауки, где теорию вообще невозможно отделить от ее приложений. Причем приложения теории, с точки зрения структуралистской модели, включают в себя как подтвержденные, или актуальные, так и возможные, или потенциальные, приложения, частные потенциальные модели. Одно из определений нанотехнологии, а именно так называемое «реальное» определение, просто перечисляет области ее уже существующих и возможных приложений, куда обычно включают: сканирующую микроскопию, исследование наноча-стиц, наноструктурированные материалы, полимеры и композиты, супрамолекулярную химию, молекулярную электронику, литографию для производства интегральных схем, микро электромеханические системы, биохимические сенсоры, молекулярную биотехнологию и т.д.3 Таким образом, «нанотехнология объединяет в себе все возникающие приложения нано наук»4. Молекулярная электроника, раннее
" Там же. С. 609.
3 Schummer J. Cultural Diversity in Nanotechnology Ethics // Interdisciplinary Science Review. Vol. 31. 2006. № 3. P. 219.
4 Schmid G. et al. Nanotechnology. Assessment and Perspectives. Berlin, Heidelberg, 2006. Некоторые приложения нанотехнологии могут быть более или менее точно просчитаны. Например, углеродные нанотрубки «допускают множество возможных применений: от электродов батареек
!!
ЩЩЯ 11
1 Й «
распознавание раковых заболеваний на молекулярном уровне и лакокрасочные покрытия, способные менять цвет в зависимости от окружающей среды, отнесены экспертами к долгосрочной перспективе, а создание антиотражательных слоев, наномембран и наночастиц для автомобильных покрышек оценены готовыми к выпуску на рынок; на стадии технической реализации и создания прототипа находятся, например, аккумуляция водорода на уровне наноструктур, а на фазе применения и инноваций - рентгеновская оптика5. Причем раздельное поступательное развитие физики (электротехника - электроника -микроэлектроника - проектирование материалов - квантовые эффекты), биологии (биология клетки - молекулярная биология - функциональное проектирование молекул) и химии (комплексная химия -сверхмолекулярная химия) в перспективе должно слиться в интегрированное использование биологических принципов, физических законов и химических свойств6.
Таким образом, понятие теории расширяется через особые операции специализации, образуя целостную теоретическую сеть. На основе структуралистской модели науки К.-У. Мулинес осуществил попытку анализа развития равновесной термодинамики (термостатики), которую он рассматривает не как единичную теорию, а как целостную группу, семейство (кластер) теорий, или «фрейм теорий», объединяющих целую группу теорий, которые построены по единому парадигматическому образцу. Например, простая равновесная термодинамика является таким образцом для термодинамики в целом как семейства, кластера или фрейма термодинамических теорий.
до электронных устройств и армирующих волокон для получения более прочных композитов. ... Однако для реализации этого потенциала необходимо разработать технологию крупномасштабного производства однослойных трубок. Существующие методы обеспечивают лишь небольшой выход конечного продукта, стоимость которого на сегодня составляет 1500 S за грамм (680000 $ за фунт). С другой стороны разработаны основанные на химическом осаждении методы крупномасштабного производства многослойных наннотрубок стоимостью 60 $ за фунт, причем при увеличении спроса ожидается дальнейшее существенное падение этой цифры. Методы, используемые для увеличения масштабов производства многослойных нанотрубок, должны лечь в основу широкомасштабного производства и однослойных нанотрубок. Можно надеяться, что из-за их громадного потенциала использования будут разработаны технологии крупнотоннажного синтеза, что приведет к падению цен до цифр порядка 10 S за фунт» (курсив мой. - В. Г.). (Пул Ч.-мл., Оуэне Ф. Нанотехноло-
X *
Ф
гии. М, 2006. С. 120). 5
? Paschen Н., Coenen Chr., Fleischer Т. и. а. Nanotechnologie. Forschung, ¡в
Entwicklung, Anwendung. В., Heidelberg, N.Y., 2004.
6 Ibid.
X
<3
2 Зак. 1203
17
i
Можно указать также на фрейм теорий классической механики, фрейм теорий квантовой механики и т.д.7 Есть и другие примеры из области технических наук. Например, сегодня сформировалось целое семейство дисциплин, получившее название радиоэлектроники и ориентирующееся на преобразованную радиотехникой фундаментальную теоретическую схему электродинамики. Физическая картина электромагнитных взаимодействий (колебаний, волн, полей) совмещается со структурным изображением радиотехнических систем, в которых эти физические процессы протекают и искусственно поддерживаются. Таким образом, она преобразуется в картину области функционирования технических систем определенного типа. С одной стороны, она является результатом развития и конкретизации фундаментальной теоретической схемы базовой естественнонаучной теории к области функционирования технических систем, например к диапазону практически используемых радиоволн как разновидности электромагнитных колебаний. С другой стороны, эта схема формируется в процессе систематизации и обобщения различных частных теоретических описаний конструкции данных технических систем, группирующихся вокруг отдельных идеализированных конструктивных элементов этих систем в процессе осознания общности их структуры, и включает в себя классификационную схему потенциально возможных технических систем данного типа и режимов их функционирования.
Именно такой кластер теорий представляет собой также и нано-технология, которая является наиболее ярким представителем современной технонауки. Объединяет все эти часто разнородные теории именно ориентация на общую картину мира - «наноонтологию». В наиболее распространенном определении нанотехнологии утверждается, прежде всего, что она представляет собой «исследование и манипуляцию материальными объектами в области 1-100 наномет-ровой шкалы с целью изучения новых свойств и разработки новых устройств»8. Нанообъекты, таким образом, идентифицируются лишь по их предельно общим онтологическим свойствам - по определенным размерам, причем безотносительно к их природе. «Нанотехноло-гия является понятием, объединяющим целую палитру технологий, которые общим имеют, прежде всего, то, что все они связаны со структурами и процессами нанометрической шкалы... Один нанометр -одна миллиардная часть метра (10~9 м) и обозначает ту пограничную
X -
3; Cm.: Probabilistic Thinking, Thermodynamics and the Interaction of
the History and Philosophy of Science. Proceedings of the 1978 Pisa Con-Jp ference on the History and Philosophy of Science. Vol. II. Dordrecht, 1981. X P. 211-237.
<5;i 8 Schummer J. Cultural Diversity in Nanotechnology Ethics. P. 218-219.
Ш;;
область, в которой материальные взаимодействия не могут быть более описаны законами классической физики, а все большую роль начинают играть квантово-механические эффекты... Нанотехнология обозначает целенаправленное создание и/или манипулирование отдельными микроструктурами»9. Здесь также вполне определенно подчеркивается проектная направленность нанонауки, неотделимой -даже концептуально - от нанотехнологии; т.е. фактически - о технической теории.
За последние десятилетия и в сфере научно-технических дисциплин произошли, однако, существенные изменения, позволяющие говорить о становлении качественно нового неклассического этапа их развития. Этот этап характеризуется новыми формами организации знаний, направленными на повышение эффективности и результативности научной деятельности, более жесткой ориентацией на решение самых разнообразных практических (в том числе инженерных) задач, для чего требуется привлечение специалистов самых разнообразных отраслей науки и практики. В то же время инженерные методы, проектные установки и методические приемы работы проникают в сферу науки, преобразуя традиционные нормы и идеалы научного исследования. К новым неклассическим научно-техническим дисциплинам такого рода можно отнести, например, кибернетику, системотехнику, системный анализ и т.д. Развиваясь нестандартным путем, неклассические научно-технические дисциплины отличаются от классических технических наук. В последних теория строилась под влиянием определенной базовой естественнонаучной дисциплины, и именно из нее первоначально заимствовались теоретические средства и образцы научной деятельности. Многие же современные науч-но-технические дисциплины не имеют такой единственной базовой теории, так как ориентированы на решение комплексных научно-технических задач, требующих участия представителей самых разнообразных научных дисциплин (математических, технических, естественных и даже общественных наук), группирующихся относительно одной проблемной области. В то же время в них разрабатываются новые специфические методы и собственные средства, которых нет ни в одной из синтезируемых дисциплин и которые специально приспособлены для решения данной комплексной научно-технической проблемы. Именно к таким дисциплинам относится и нанотехнология: х «Этим полем деятельности занимается множество разных отраслей ^
знаний. Работы по нанотехнологии можно найти как на университет- ^ - «
9 V-1
Paschen Н., Coenen Chr., Fleischer Т. и. а. Nanotechnologie. Forschung, Entwicklung, Anwendung. S. 27.
I 1
1
ских отделениях физики, химии, экологии, так и на отделениях инженерных дисциплин, таких как электротехника, механика, химическая технология»10. Их всех объединяет, однако, общая цель, устремленность в будущее. Именно это устремление подчеркивается в «телеологическом» определении нанотехноолгии: она должна в будущем обеспечить здоровье людям, благосостояние обществу и безопасность государств и правительств, причем быстрее, точнее, прочнее и в меньших размерах, радикально изменив все - от промышленного производства до психических и социальных условий жизни11.
Итак, нанотехнология может быть рассмотрена и как область науки, и как отрасль технологии. Поэтому и существует такое многообразие ее определений. Одни рассматривают ее как отрасль технологии, при этом подчеркивая ее направленность на проектирование наноси-стем, другие - как науку, исследующую общие закономерности функционирования, создания, совершенствования и использования нано-систем, требующих системного подхода к задачам их анализа и синтеза. Все сходятся, однако, на том, что проблемы нанонауки и нанотехнологии являются комплексными и находятся на стыке ряда научных и технических дисциплин, что она позволяет устранить разрыв между исследованием и проектированием, который существует при традиционных методах работы, что это - широкая сфера, игнорирующая границы, которые разделяют различные академические дисциплины и отделяют исследование от инженерных разработок. При этом она демонстрирует свою аналогичность системотехнике, направленной на исследование и проектирование больших технических систем, с тем лишь отличием, что в наносистемотехнике речь идет о микро- и наносистемах. «Наносистемотехника - совокупность методов моделирования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, мик-ро- и наносистем с широким использованием квантово-размерных, кооперативно-синергетических, гигантских эффектов и других явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами элементов»12. Наносистемотехника, как и макросистемотехника, включает в себя не только системное проектирование, но и комплексное исследование. Проектная установка, однако, оказывает влияние на изменение приоритетов такого комплексного исследования, способствует формиро-^ ванию отношения к научному знанию не только как к знанию о чем-то, t -
£ 10 Пул Ч.-мл., Оуэне Ф. Нанотехнологии. С. 21.
да " Schummer J. Cultural Diversity in Nanotechnology Ethics. P. 219.
12 Лучинин В. В. Индустрия наносистем. Системный подход // Пул Ч. -<54 мл., Оуэне Ф. Нанотехнологии. С. 32.
iill
но и как к средству деятельности: «Главным видением нанотехноло-гии с самого начала была целенаправленная манипуляция материей на атомарном уровне»13. При этом в объяснении наноявлений часто с легкостью переходят от одной теории и частной научной картины мира к другой. Например, электрон в одном случае рассматривается как сферический или точечный «заряд, вращающийся вокруг некой оси», в другом - как «облако электронного заряда между двумя связанными атомами как клей, сцепляющий эти атомы», в третьем - «электроны в нанотрубке не являются сильно локализованными, а размазаны на большом расстоянии вдоль трубки», а в четвертом они, как в квантовой теории, представляются в виде волны: «Если длина волны электрона не укладывается целое число раз на длине окружности трубки, она интерферирует сама с собой с погашением, так что разрешены только такие длины волн электронов, которые укладываются целое число раз на периметре трубки»14.
Сам объект комплексного наноисследования дан первоначально лишь в виде компьютерной имитационной модели, воспроизводящей в той или иной форме функционирование будущей системы, т.е. замысел проектировщика. Система еще не создана, а только проектируется, но в начале всякого проектирования мы уже должны исследовать эту систему путем анализа на имитационной модели, а не только обследовать то место, куда она будет «вставлена» после изготовления. Поэтому объект комплексного исследования и системного проектирования дан первоначально лишь в этой имитационной модели. Научное исследование всегда сопровождается компьютерной симуляцией, и то, что мы видим на экране дисплея, уже опосредовано определенной теорией, на основе которой построена данная приборная ситуация, и ее математическими представлениями, зашитыми в программе имитационного моделирования, /-/аносистемная же картина мира, или наносистемная онтология, выполняют функцию методологического ориентира в выборе теоретических средств и методов решения комплексных научно-технических задач, дает возможность транслировать их из смежных дисциплин или методологической сферы. Она является также методологическим ориентиром для конструирования сложных идеальных нанообъектов, их последующего имитационного моделирования и интерпретации, т.е. позволяет экстраполировать накопленный в данной дисциплине опыт на будущие
проектные ситуации. х'
*
ф
—Ü- *
Paschen Н., Coenen Chr., Fleischer Т. и. а. Nanotechnologie. Forschung, Entwicklung, Anwendung. S. 1,27.
14 Пул Ч.-мл., Оуэне Ф. Нанотехнологии. С. 90, 103, 116-117.
<3
Естественное - искусственное
Обычно считается, что ученый-естествоиспытатель имеет дело только с миром природного, естественного, а инженер - с миром технического, искусственного. Однако возникновение экспериментального естествознания было тесно связано с «миром искусственного», с искусственной, технической переработкой природных явлений и процессов, с исследованием и развитием мира «механических искусств». «В результате действительной почвой физического эксперимента становится "естественная техника", или же, иными словами "механическая природа"15. Да и сами природные процессы часто осмысливаются в новой науке как рукотворные, искусственные, а природа - как «инженер», «искусственно» создающий природные, а значит естественные, объекты, и задача ученого - раскрыть ее «хитрости», постичь то, что ею уже сделано. Таким образом, и в экспериментальном естествознании, и в инженерной деятельности устанавливается определенная взаимосвязь между миром природным и миром искусственным.
Понятия «естественного» и «искусственного» были развиты еще в античной философии. Уже Платон различает существующее «по природе» (то, что от природы) и «по закону» (то, что приобретается старанием, упражнением, обучением, что принуждает ко многому, что противно природе), т.е. благодаря природной способности (врожденное) с помощью искусства, от учения возникшее (искусное)16. Аристотель различал «естественное», происходящее согласно природе, «вероятное» и «случайное». В этом случае естественное противопоставляется допустимому. Естественное - то, причина чего заключена в самой вещи, что происходит по определенному закону либо всегда, либо по большей части17. Однако естественное противопоставляется Аристотелем также насильственному, неестественному. Но он различает также существующее по природе, возникающее от природы и возникающее путем искусства, образованное искусством18. В Новое время, в связи со становлением экспериментального естествознания, проблема соотношения естественного и искусственного переосмысливается. Для Декарта всякое различие между естественным и искусственным с необходимостью исчезает, поскольку мир, природа трактуется им как машина. «Между машинами, сделанными руками мастеров, и различными телами, созданными одной природой, я нашел х --—-
^ : Ахутин А. В. История принципов физического эксперимента (от
Ф античности до XVII века). М„ 1976. С. 217.
Jg- 16 Платон. Соч.: В 3-х т. Т. 1. М., 1968. С. 89, 138-139, 148, 206, 223.
X 17 См.: Зубов В. П. Аристотель. М„ 1963. С. 78.
18 Аристотель. Соч.; В 4-х т. Т. 3. М„ 1981. С. 82.
14 Декарт Р. Избранные произведения. М., 1950. С. 539-540.
Гайденко П. П. Эволюция понятия науки (XVII—XVIII вв.). М., 1987. С. 169.
Например, «актуаторы - это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, или наоборот» (см.: Пул Ч.-мл., Оуэне Ф. Нанотехнологии. С. 297). Такую простейшую наномашину представляет собой также переключатель, выполненный с помощью одного электрона,
ш ж 1
только ту разницу, что действия механизмов зависят исключительно от устройства различных трубок, пружин и иного рода инструментов, которые, находясь по необходимости в известном соответствии с изготовившими их руками, всегда настолько велики, что их фигура и движение легко могут быть видимы, тогда как, напротив, трубки или пружины, вызывающие действия природных вещей, обычно бывают столь малы, что ускользают от наших чувств. И ведь несомненно, что в механике нет правил, которые не принадлежали бы физике (частью или видом которой механика является); поэтому все искусственные предметы вместе с тем предметы естественные. Так, например, часам не менее естественно показывать время с помощью тех или иных колесиков, из которых они составлены, чем дереву, выросшему из тех или иных семян, приносить известные плоды»19. Такое понимание естественного и искусственного прямо противоположно аристотелевскому представлению, согласно которому природное противопоставлялось созданному человеком, а физика - механике, как искусству, а не как науке. По Декарту же, механика является частью физики, изучающей «трубки и пружины, вызывающие действия природных вещей»20. Но так же и в нанотехнологии речь идет о наноструктурах, которые столь малы, что ускользают от наших чувств, о тончайших щ нанотрубках, об исчезающе малых наномашинах21 (см. на рис. 2 модель такой наномашины) и т.д.
Галилей рассматривает эти понятия в нескольких контекстах. Во-первых, естественное (человеческое) как естественный ход вещей противопоставляется им сверхестественному (божественному) - чуду22. Естественное, как необходимое, является для него антитезой насильственному и случайному (находящееся под воздействием сил не может быть постоянным)23. В-третьих, естественное (природное, врожденное, самопроизвольное) отличается от искусственного (человеческого, рукотворного, изобретенного). Но главное его достижение в решении этой проблемы состоит не столько в разграничении, сколько в соотнесении этих двух понятий, в установлении их взаимопере-
1>
который замыкает или размыкает наноцепь (БсЬгшё в. е! а1. Ыапо1есЬпо1-
Я X
<3
ogy. Assessment and Perspectives. P. 149). ®
22 Галилей Г. Избранные труды: В 2-х т. Т. 1. М., 1964. С. 118. Х-
23 Там же. С. 129.
Рис. 2. Молекулярная модель Ра\л/1-машины, состоящая из лопаток, помещенных в термальную ванну газовых молекул, и зубчатого колеса, которое может поворачиваться только в одном направлении. Молекулы газа могут лишь случайным образом бомбардировать лопатки, чтобы они двигались24.
ходов. В отличие Аристотеля, он рассматривает естественное движение в искусственных условиях, в идеализированном искусственным путем эксперименте. Прямолинейное движение не существует в природе; оно является результатом идеализации, искусственного воспроизведения естественного явления за счет устранения побочных влияний (воздействия внешних сил). Говоря, например, о плавающих телах, он пишет: «Понять причину этого явления... очень легко, поскольку мы имеем явную их аналогию в любом искусственно приготовленном нами сосуде, в котором мы увидим естественно происходящими эти явления...»25. В то же время он говорит и о «природе» механических орудий26, рассматривая их естественный компонент: «Механики часто заблуждаются, желая применить машины ко многим действиям, невозможным по самой своей природе...»27. Именно таким перенесением искусственного в естественное и естественного в искусственное были заданы идеалы и нормы экспериментального естествознания, с одной стороны, и инженерной деятельности - с другой. Подобные взаимопереходы естественного в искусственное и обратно можно обнаружить во многих рассуждениях по нанотехнологии: «Дискретный спектр энергетических состояний в таких кластерах подобен энергетическому спектру отдельных атомов, что позволяет говорить об «искусственных атомах», несмотря на большое количество атомов в кла-
24 Schmid G. et al. Nanotechnology. Assessment and Perspectives. P. 105.
25 Галилей Г. Избранные труды: В 2-х т. Т. 2. М., 1964. С. 527.
26 Там же. С. 9.
27 Там же. С. 7.
x *
Ф с£
я X
<3
ЙИ! ад
|р Ш|?
■и
стерах (островках)»28. Точно так же говорят об искусственно созданных молекулах: «До 1964 года считалось, что в углеводородах... невозможны никакие углы связей, кроме» алмаза, состоящего из атомов углерода тетраэдически связанных друг с другом, и графита, имеющего слоистую структуру, каждый слой которой образован шестиугольниками из атомов углерода. «В 1964 году Фил Итон из Чикагского университета синтезировал квадратную молекулу..., названную куба-ном. В 1983 году Л. Паллет из университета Огайо синтезировал молекулу... додэкаедрической формы... Синтез этих углеводородных молекул с углами, отличными от стандартных углов гибридизации... был важным шагом на пути создания углеродных наноструктур, также требующих различных углов между связями»29.
Такая двойственная ориентация нанотехнологии, с одной стороны, на научные исследования естественных, природных явлений, а с другой - на производство, воспроизведение замысла искусственным путем, заставляет взглянуть на свое «изделие» одновременно как на природный объект, который выступает как «естественно-искусственная» система. С одной стороны, наносистема представляет собой явление природы, которое подчиняется естественным законам, а с другой - то, что необходимо искусственно создать: сначала определить материальные условия и искусственные средства, влияющие на природу в нужном направлении, заставляющие ее функционировать так, как это нужно для человека, и лишь потом на основе полученных знаний задать требования к этим условиям и средствам, а также указать способы и последовательность их обеспечения и изготовления. В свою очередь, искусственно созданные в эксперименте ситуации сами должны быть представлены и описаны в научном плане как определенные естественные процессы. Однако в классическом естественнонаучном эксперименте главный акцент все же должен делаться на естественной позиции, поскольку основная цель здесь - подкрепить, обосновать с помощью искусственных средств теоретически выведенные естественные законы. Цель же традиционной инженерной деятельности, учитывая эти законы, - создать искусственные технические средства и системы для удовлетворения определенных человеческих потребностей, т.е. акцент ставится на искусственной позиции.
В нанотехнологии эти позиции настолько переплетаются, что на-нотехнологический эксперимент становится одновременно и средством проектирования наносистем. В принципе, любая система может ^ быть описана и как естественная, и как искусственная. Система, с ее- ^
—¡г—
Асеев А.Л. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. Я С. 606. ' *
'' Пул Ч.-мл., Оуэне Ф. Нанотехнологии. С. 104-105.
тественной точки зрения, рассматривается как самодвижущийся организм, т.е. объект, развивающийся по своим внутренним законам, не зависящим от человеческой деятельности. В этом случае основным является отношение естественного взаимодействия - воздействия среды на систему и системы на среду. С искусственной точки зрения система рассматривается как конструируемый извне механизм. В этом смысле она может быть заранее целиком создана на основе проекта и лишь потом включена в определенную естественную среду, где она будет функционировать. Главным отношением, которое в этом случае следует иметь в виду, является отношение реализации. Если спросить нанотехнолога, что такое полуметалл - созданный в эксперименте искусственный объект или существующий независимо от человеческой деятельности естественный объект, - то он ответит: «это - естественная система, поскольку он существует в рамках искусственно созданной экспериментально-технической ситуации». Таким образом, если научные знания и представления используются для создания наносистем, то мы находимся в «искусственно-естественно-искусственной» позиции, а если экспериментальные устройства создаются для обоснования и подтверждения данных представлений, то - в «естественно-искусственно-естественной» позиции. В этом и выражается, прежде всего, сходство и взаимовлияние исследовательской и проектной деятельности, выполняющих, в то же время различные функции в рамках нанотехнологии.
Одним из наиболее распространенных примеров такого «естественно-искусственного» объекта исследования и проектирования является так называемая «кластеризованная вода». «С начала 70-х годов, то есть задолго до появления слова «наночастица», было известно, что вода состоит не из изолированных молекул Н20. Было показано, что молекула воды в жидкой фазе на определенных частотах состоит, как из изолированных молекул воды, так и из молекул, «связанных в кластеры посредством водородных связей. Атом водорода одной молекулы образует связь с атомом кислорода другой... При нормальных условиях 80% молекул воды связано в кластеры, а при повышении температуры эти кластеры диссоциируют на отдельные молекулы». Интересно, что на основе этих данных и развития нанотехнологии сделано предсказание, что при определенном давлении в ударной волне можно получить новую форму воды с сим-метричными водородными связями. В обычном состоянии атом водорода удален от двух атомов кислорода, связанных с ним, на разные
Ф расстояния. При этом предполагается, что, вероятно, «свойства такой воды будут отличаться от свойств обычной воды»30. Совершенно
X -
<;( 11 Пул Ч.-мл., Оуэне Ф. Нанотехнологии. С. 98-99.
очевидно, что под «обычной водой» фактически понимается естественный объект, а под «кластеризованной водой» - искусственный, хотя в обоих случаях речь идет об одной и той же системе «вода».
I
М
Наноструктуры и ноноэлементы
Структура фиксирует расположение элементов и связей в данной системе. В истории философии такого описания реальности придерживался, например, Демокрит, утверждавший, что в действительности существуют лишь неделимые атомы и пустота. «Атомизм... возникает отнюдь не в результате эмпирических наблюдений (например, движения мельчайших пылинок в солнечном луче), а в результате развития определенных теоретических понятий... Именно физическое свойство атома - его твердость, плотность - не допускает разделенности его на меньшие части... Учение Демокрита являет собой первую продуманную концепцию механического объяснения природы, и в этом состоит его непреходящее значение... Это была первая в истории мысли теоретическая программа, последовательно и продуманно выдвигавшая методологический принцип, требовавший объяснить целое как сумму отдельных составляющих его частей... Характерной особенностью античного атомизма как метода «собирания целого из частей» является то, что при этом целое не мыслится как нечто действительно единое, имеющее свою особую специфику, не сводимую к специфике составляющих его элементов. Оно мыслится как составное, а не как целое в собственном смысле слова... Что же касается впечатления единства и качественности, которое мы получаем от тел чувственного мира, то оно, по Демокриту, есть лишь субъективное, лишь мнение; объективно же существуют атомы и пустота»31. Эта сформулированная Левкиппом и его учеником Демокритом исследовательская программа многократно воспроизводилась с различными уточнениями и изменениями в течение многих веков (например, у Эпикура и Лукреция). Эпикур, так же как и Демокрит, считал неделимые, неизменные и неуничтожимые атомы, обладающие формой, величиной и весом (отличие его представления об атомах), и пустоту основными элементами мироздания. По Эпикуру, атомы при движении самопроизвольно отклоняются от прямолинейного движения, а не в результа- ^ те внешней механической необходимости, как считал Демокрит. Атомистические представления сохранились и до нашего времени, пере-
т
1
¡1 И I
31 Гайденко П. П. Эволюция понятия науки. М., 1980. С. 79, 86,
95-97.
<3
кочевав в виде конкретных научных теорий в микрофизику, где, впрочем, возник ряд парадоксов, противоречащих исходной атомистической программе.
На пути от Демокрита к Ньютону преемственность, и в то же время развитие этой программы,прослеживается достаточно четко. «Например, если у Демокрита бесконечные в своем разнообразии (по величине, форме и порядку) и неделимые (абсолютно плотные и содержащие в себе пустоты) атомы носились в бесконечной пустоте и, соединяясь различными способами с помощью крючков, образовывали все многообразие объектов и явлений реального мира, то у Ньютона уточняется способ соединения уже унифицированных атомов (материальных аналогов математических бесконечно малых или дифференциалов), и на смену «наивным» крючкам античности приходит сила гравитации, которая объединяет всю Вселенную и четко отражена во всемирном законе тяготения. Эти уточнения не затронули основы атомистической концепции... С развитием электромагнитной картины мира в физике достойное место заняла и континуалистическая концепция строения материи. Но она выступила не как отрицание атомистической концепции вообще, а как отрицание ее лишь механистической конкретной модели... Атомизм был возрожден на более глубоком уровне строения материи - само электричество оказалось «атоми-стичным», состоящим из электронов ("крайне малые электрически заряженные частички")... В 1911 г. Э. Резерфорд показал, что положительное электричество в атомах сконцентрировано в неких частицах, а не рассосредоточено по всему атому. Атом оказался не плотным биллиардным шаром, а некой "солнечной системой" в миниатюре. Главное в этой модели то, что масса атома сосредоточена в мельчайших частицах, которые занимают ничтожную часть объема атома. Получается, что атом, в основном, состоит из внутриатомной пустоты, что он пуст... На повестке дня физики начала XX века встала проблема построения специальной механики атомного мира... В современной физике элементарные частицы взаимодействуют путем обмена квантами соответствующих полей. Построение квантовой механики дало возможность понять сложный мир атомов и навести там порядок. Но при этом выяснилось, что сами атомы совсем не являются некими первокирпичиками в структуре материи, а суть сложные динамические системы, составленные из разных элементарных частиц: ^ электронов, нейтронов, протонов... Если на заре атомного века было Ч известно слишком мало частиц, то теперь этих "первокирпичиков" х оказалось слишком много, и они... разношерстны...». Попытки постро-<5| ить теории различных взаимодействий по единому образцу привели
к построению квантовой электродинамики, в которой частицы и их взаимодействия были определены по-новому32.
Этот процесс продолжается и дальше, но все-таки в рамках той же самой исследовательской программы. В нанотехнологии данная проблематика нашла выражение в концепции квантовых точек, которые «состоят из массива атомных кластеров», хотя и «представляют собой предельный случай систем с пониженной размерностью», т.е. являются «нульмерными системами». «Хотя кластеры, или островки, обладают определенной формой и конечными размерами (единицы или десятки нанометров), для данного типа структур принят термин «наноточки»33. Аналогично и в современной биологии речь идет не о поисках одного-единоственного онтологического основания биологических явлений, с точки зрения которого все может быть окончательно объяснено (например, с точки зрения их физико-химической основы или квантовой механики или даже еще не построенной полностью единой теории поля), а о том, что для любого уровня явлений существует еще более низкий уровень, с точки зрения которого может быть осуществлено объяснение анализируемого целого. Например, эволюция популяций и видов организмов может быть объяснена с точки зрения сил, действующих на генетическом уровне. Переходя на следующий уровень анализа, т.е. репликации, и действия генов обращаются к атомистической химической теории, но это не значит, что сами механизмы эволюции обязательно должны быть объяснены с точки зрения атомистической химии34.
Такое иерархическое представление различного рода систем встречается во многих философских учениях прошлого, начиная с представления Анаксимандра о бесконечно делимом - апейроне (беспредельном, неопределенном, непреходящем), лежащем в основе всего сущего, и Анаксагора, который за основу всего существующего принимал материальные частицы, сочетания которых образуют качественно подобные им тела - «гомеомерии» (подобочастные), «семена» всех вещей. Гомеомерии движутся и упорядочиваются неким космическим умом (нусом), существующим независимо от них. Провозглашенный им тезис «все во всем» фактически означал, что в сколь угодно малой частице любого вещества (в том числе в любом семени) содержатся все существующие в природе вещества и качества.
1 41
Р
I I
32 Ахундов М. Д., Баженов Л. Б. Философское понятие материи и раз- ^
витие физики элементарных частиц // Философия физики элементарных частиц (тридцать лет спустя). М., 1995. С. 29-33. Ej
33 Асеев A.JI. Нанотехнологи в полуповодниковой электронике. С. 606. Я
34 См.: Brandon R. Concepts and Methods in Evolutionary Biology. Cam- * bridge, 1996. P. 181-182.
<3
Именно этот принцип реализуется в голографии, где по любой малой части голографического изображения можно воспроизвести голограмму в целом. Кажется же каждая частица (или семя) однородной в силу того, что в ней преобладает какое-то одно из веществ: его более в каждой вещи. Подобно тому в нанотехнологии нанотрубки, с одной стороны, являются простейшими единицами более сложных наноструктур («при синтезе получается смесь нанторубок разных типов с различным характером и величиной электропроводности»), с другой -«нанотрубки могут иметь различную атомную структуру, причем трубки разной структуры имеют разные свойства»; например, с точки электропроводности в зависимости от их структуры «они могут быть металлическими или полупроводящими»35. Кроме того, отдельные молекулы или атомы могут образовывать кластеры, которые являются переходной единицей между макро- и наносистемами. Причем при определенных условиях кластер начинает вести себя как объемное вещество: «разные физические свойства кластеров достигают значений, характерных для объемных материалов при разных размерах кластера. Размеры кластера, при которых происходит переход к поведению объемного материала, оказывается зависящим от измеряемой характеристики»36.
Первичные и вторичные качества
Эта проблематика восходит к демокритовскому различению знания «по истине» (постигаемой разумом атомарной структуры) и знания «по мнению» (того, что дано в форме ощущений). По Демокриту, атомы различаются формой, порядком и положением, а их первичными (истинными, т.е. познаваемыми разумом, но не данными в чувствах) являются, например, плотность, величина, неделимость, форма, движение. По Галилею, к первичным качествам относятся чувственные качества вещей, имеющие корни в объективных свойствах материи (но сами эти корни сводятся к количественным механическим элементам): величина, форма, количество материальных тел (протяжение) и их движение по законам механики. Знание о них дает математика. Вторичными же являются вкусы, запахи, цвета и т.д., имеющие своим источником только наши чувства. Эти качества присущи не объекту, а субъекту, и с устранением живых существ были бы устра-нены и все эти качества. Для Гоббса к первичным качествам относятся величина (способность занимать пространство, т.е. протяжение),
Ф движение и покой. Они сводятся к бесконечным элементам - линии,
Ч
(о —--
" Пул Ч.-мл., Оуэне Ф. Нанотехнологии. С. 113-115.
36 Там же. С. 92-93.
Ш7
фигуры, величины и плоскости, постигаемые рационально с помощью геометрии. Вторичным является знание о целостных вещах, т.е. о форме, под которой тело нам представляется, даваемое чувствами. Гассенди считал, что первичными качествами являются масса, фигура, величина, тяжесть (вес), движение, а Декарт - протяжение в длину, ширину и глубину: телесная природа «не является более разделенным по всевозможным родам и видам согласно их субстанциальным формам порядком различных субстанций, а вместо этого царит выразимое на математическом языке простое и потому ясно и отчетливо понятное отношение между протяженностью и ее бесчисленными модификациями, частно определенными протяженностями, которые отличает, прежде всего, одно: в каждой из них обнаруживается как сущность, или как атрибут, одно и то же - протяженность»37. Почти так же и в нанотехнологии: «Если образец мал в двух измерениях и имеет большие размеры в третьем, то такой объект называют квантовой проволокой. Предельный случай этого процесса уменьшения размеров, при котором размеры во всех трех измерениях лежат в
В
■
ш
нижнеи части нанометрического диапазона, называют квантовой точкой». Если же размеры в одном измерении «лежат в нанометри-ческом диапазоне, а в двух других остаются большими, то получившаяся структура называется квантовой ямой» (курсив мой. - 6.Г.)за.
Определенные фигуры и движения вызывают ощущения, называемые нами светом, теплотой и т.п., и являются чувственными качествами, которые имеют лишь иллюзорное бытие (подобно щекотке). У Локка первичные качества - это такие, которые неотделимы от тела, т.е. объем, форма, движение, сцепление. Эти качества порождают в нас простые идеи - плотности, протяженности, формы, движения или покоя и числа. Они находятся в телах, воспринимаем ли мы их или нет. Это - свойства материальных тел, не отличающиеся, в принципе, от ощущений этих свойств. Вторичным же качествам - цвета, звуки, вкусы и т.д. - ничего не соответствует в самих вещах, которые
11
37 Шютт X. П. Современность Декарта // Ежегодник Российско-Германского колледжа 1999/2000 / Под. ред. В. Г. Горохова. М., 2000. С. 343. Также Шютт пишет: «Никакое тело не является лишь протяженным в том смысле, что не может быть полностью описано предикатом «протяжен». Однако все то, что еще его характеризует в его особенности, Декарт хотел бы редуцировать до комбинации трех измеримых опреде- IcaJ ленностей - конфигурация, положение и движение» (Schütt Н.-Р. Substanzen, Subjekte und Personen. Eine Studie zum Cartesischen Dualismus. Heidelberg, 1990. S. 272-274). t:;
38 Эпитет «квантовый» используется в обозначении этих наноструктур ® «потому что в области ультрамалых масштабов возникает изменение свойств квантовомеханической природы» (Ibid. S. 198).
X
*
Ф
X
<3
вызывают в нас эти различные ощущения своими первичными качествами. Беркли же признает все без исключения качества вещей вторичными. Он отверг наличие объективной основы у идеи первичных качеств; для него геометрические и механические характеристики тел также вторичны, целиком и полностью будучи плодом субъективной деятельности человека, и получаются только благодаря контрастности в структуре цветов, звуков и ощущений осязания. Таким образом, излишняя онтологизация качеств предметов привела к абсурдному заключению о их полной субъективности. В теории систем этот парадокс снимается тем, что первичные (функциональные, первого порядка) и вторичные (второго порядка) свойства элементов различаются лишь относительно их функциональной роли в исследуемой системе. При этом функциональные свойства элементов являются свойствами первого порядка, поскольку позволяют включаться в систему для выполнения общей цели, стоящей перед ней и всеми ее элементами. Свойства же второго порядка - это те нежелательные свойства, которые привносит с собой элемент в систему.
В нанотехнологии между первичными и вторичными качествами устанавливается не столько онтологическое, сколько операциональное соответствие: влияя на первичные качества, стало возможным детерминировать появление желаемых вторичных качеств. «Например, цвет, реакционная способность, стабильность и магнитные свойства зависят от размера кластеров. В некоторых случаях наночасти-цы демонстрируют новые свойства, отсутствующие у того же материала в объеме; например, магнетизм кластеров, состоящих из немагнитных атомов. Помимо постановки перед учеными новых задач, связанных с объяснением природы нового поведения, эти результаты имеют огромный потенциал использования на практике, позволяя выбирать свойства материала путем варьирования размерами частиц. Очевидно, что наноразмерные материалы могут быть основой нового класса атомарно сконструированных материалов (курсив мой. - В. Г.)»39. При этом становится совершенно безразличным, приписываем мы их субъекту или объекту. Важно, что с помощью построенных в нанонауке теоретических моделей первичных качеств нанотехнология конструирует требуемые для определенных целей вторичные качества «ощущаемых» нами или созданных нами приборами (например, радиолокаторами) вещей, т.е. «физические,
Ш| химические и электронные свойства наночастиц сильно зависят от количества и типа атомов, составляющих наночастицу»40.
Ф Продолжение следует в № 3
1 _
5Й 39 Ibid. S. 102.
40 Ibid.
